探究植物細胞質(zhì)壁分離及自動復(fù)原的情況

徐婧宇

摘 要：有大液泡的植物細胞能在一定條件下發(fā)生質(zhì)壁分離及復(fù)原現(xiàn)象。若植物細胞能夠自動吸收外界溶液中的物質(zhì)，已發(fā)生質(zhì)壁分離的植物細胞就可以自動復(fù)原。反復(fù)使用不同濃度的硝酸鉀溶液進行實驗，并無法成功展示質(zhì)壁分離復(fù)原現(xiàn)象。尋找能使自動復(fù)原現(xiàn)象明顯的溶液才具有推廣學(xué)生實驗的教學(xué)意義。將洋蔥外表皮細胞直接放在6.25%的甘油溶液中，觀察質(zhì)壁分離及自動復(fù)原情況，效果非常明顯。

關(guān)鍵詞：洋蔥外表皮細胞;質(zhì)壁分離;質(zhì)壁分離自動復(fù)原;KNO3溶液;甘油溶液;適宜濃度

中圖分類號：G633.91 文獻標(biāo)識碼：A 收稿日期：2019-01-07 文章編號：1674-120X（2019）10-0103-02

一、實驗探究背景

（一）實驗原理

植物細胞的原生質(zhì)層相當(dāng)于一層半透膜，植物細胞壁的伸縮性小于原生質(zhì)層的伸縮性。當(dāng)細胞處于高濃度溶液中時，細胞液的水分流向外界溶液中，原生質(zhì)層收縮，發(fā)生質(zhì)壁分離現(xiàn)象;當(dāng)已發(fā)生質(zhì)壁分離的細胞處于低濃度溶液或清水中時，外界溶液中的水分流向液泡中，液泡體積增大，發(fā)生質(zhì)壁分離復(fù)原。

（二）教材實驗分析

教材實驗通過人為改變外界溶液濃度，先滴加30%的蔗糖溶液，使植物細胞發(fā)生質(zhì)壁分離，后滴加清水，使植物細胞發(fā)生質(zhì)壁分離復(fù)原。

優(yōu)點：實驗操作簡單，現(xiàn)象明顯，能很好地幫助學(xué)生理解和驗證實驗原理。在簡單明了的操作中，能很好地增強學(xué)生實驗動手能力，提高學(xué)生實驗操作技能。實驗現(xiàn)象前后對比鮮明，能直觀地觀察效果，增強學(xué)生對實驗的感知能力。

不足：質(zhì)壁分離和質(zhì)壁分離復(fù)原的過程是在不同條件下進行，而不同條件是人為創(chuàng)造的。實驗過程沒有連續(xù)性，觀察的直觀性和連續(xù)性不強。在顯微鏡載物臺上進行操作，蔗糖溶液容易污染和損壞顯微鏡，尤其是物鏡鏡頭。

反思和探討：若植物細胞能夠自動吸收外界溶液中的物質(zhì)，使細胞液濃度自動增大，植物細胞是否就能發(fā)生質(zhì)壁分離自動復(fù)原呢？

實踐和疑惑：針對這一可能性，人們討論最多的是使用一定濃度的硝酸鉀溶液。理論依據(jù)為植物細胞能通過主動運輸吸收和K+，從而使細胞液濃度增大。大量參考資料也支持這一觀點。我通過反復(fù)查閱，不斷進行實踐，以尋找KNO3溶液的最合適濃度。在多次實驗過程中，并無法成功驗證各論文和參考資料中提到的明顯的質(zhì)壁分離復(fù)原現(xiàn)象。分析原因，可能與主動運輸需要消耗能量、主動運輸過程速度較慢等有關(guān)系。

由于現(xiàn)象不明顯，實際操作成功率極低，不適宜在課堂進行推廣和用于教學(xué)示范。尋找更合適的溶液和溶液濃度，就成為該實驗探討和創(chuàng)新的主要內(nèi)容。

二、實驗探究過程

（1）用不同濃度的KNO3溶液反復(fù)實驗，沒有得到預(yù)期效果。通過使用不同濃度的KNO3溶液，經(jīng)過多次重復(fù)實驗，通過對同一裝片進行跟蹤觀察和拍攝，實驗結(jié)果呈現(xiàn)如圖1所示。

圖1呈現(xiàn)的是使用1mol/L的KNO3溶液連續(xù)觀察拍攝的結(jié)果。在這一濃度下，質(zhì)壁分離現(xiàn)象直觀、明顯，與實驗預(yù)期一致。但經(jīng)過1～2個小時持續(xù)觀察，不能成功觀察到明顯的質(zhì)壁分離自動復(fù)原現(xiàn)象。

（2）用不同濃度的甘油溶液反復(fù)實驗，最終發(fā)現(xiàn)，6.25%的甘油溶液使質(zhì)壁分離復(fù)原的效果最好。

通過使用不同濃度的甘油溶液，經(jīng)過多次重復(fù)實驗，質(zhì)壁分離效果明顯。在用不同濃度的甘油溶液進行實驗的情況下，質(zhì)壁分離復(fù)原情況不相同。探索發(fā)現(xiàn)，用6.25%的甘油溶液進行實驗，質(zhì)壁分離及自動復(fù)原情況最理想。通過對同一裝片進行跟蹤觀察和拍攝，實驗結(jié)果呈現(xiàn)如圖2所示。

圖2呈現(xiàn)的是使用6.25%的甘油溶液連續(xù)觀察拍攝的結(jié)果。在這一濃度下，質(zhì)壁分離及質(zhì)壁分離自動復(fù)原現(xiàn)象均非常明顯。滴加6.25%的甘油溶液，迅速發(fā)生質(zhì)壁分離，與實驗預(yù)期一致。3～4min后，能觀察到明顯質(zhì)壁分離復(fù)原情況，經(jīng)過12min左右，洋蔥外表皮細胞紫色大液泡充盈，質(zhì)壁分離復(fù)原使細胞恢復(fù)實驗前的狀態(tài)。

三、實驗改進及分析

（1）濃度的確定：逐步稀釋甘油，50%—25%—12.5%—10%—6.25%，發(fā)現(xiàn)6.25%濃度的甘油下質(zhì)壁分離及自動復(fù)原情況最理想。

（2）新儀器的使用：傳統(tǒng)顯微鏡無法做到跟蹤拍攝和動態(tài)播放，數(shù)字顯微鏡可以呈現(xiàn)動態(tài)過程，在實驗教學(xué)中具有很大的推廣意義。

將洋蔥鱗片外表皮細胞放入6.25%濃度甘油溶液中，迅速發(fā)生質(zhì)壁分離（22：14），隨后，細胞發(fā)生質(zhì)壁分離自動復(fù)原，大約四分鐘，可觀察到明顯現(xiàn)象（22：18）。隨時間推移，大約12分鐘，質(zhì)壁分離復(fù)原到非常接近細胞原始正常情況（22：21、22：23、22：26）。通過顯微鏡動態(tài)拍攝，可觀察到清晰明顯的變化過程。

（3）實驗過程的改進：依照教材流程，先滴加水，將細胞置于清水中，觀察細胞正常情況后，滴加一定濃度的甘油溶液，觀察質(zhì)壁分離和復(fù)原情況，效果并不好。究其原因可能有兩個：一是甘油有一定的黏稠度，很難使甘油迅速浸潤整個裝片;二是滴加的清水改變了甘油濃度，很難合理控制濃度，且無法找到理想的濃度。實驗改進為將洋蔥外表皮細胞直接放在甘油溶液中，觀察質(zhì)壁分離及自動復(fù)原情況。從明顯質(zhì)壁分離現(xiàn)象開始記錄，效果非常明顯。

（4）使用KNO3溶液和甘油溶液進行實驗，呈現(xiàn)情況不同的原因分析：與細胞通過主動運輸吸收KNO3溶液不同，甘油分子通過自由擴散進入細胞。速度比主動運輸速度快，細胞液濃度增大的速度快，所以質(zhì)壁分離復(fù)原現(xiàn)象明顯。

四、實驗創(chuàng)新意義

（1）發(fā)散學(xué)生思維，激勵學(xué)生主動提出問題和探索問題，用哪種溶液現(xiàn)象更明顯，哪個濃度更合適，等等。

（2）盡信書不如無書，面對習(xí)以為常的理論結(jié)論，我們要敢于懷疑，勇于提出不同想法，積極實踐驗證猜想。

（3）通過反復(fù)實踐和探索，發(fā)現(xiàn)6.25%濃度的甘油溶液能使植物細胞發(fā)生質(zhì)壁分離和質(zhì)壁分離復(fù)原。實驗效果明顯。

（4）該實驗探究和改進可以普遍用于學(xué)生實驗的開展，并能有助于更好地培養(yǎng)學(xué)生的操作能力、觀察能力和思維能力。

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